一种菲涅尔透镜装置的制作方法

本发明涉及光学器件技术领域，特别涉及一种菲涅尔透镜装置。

背景技术：

透镜是光学设备中常见的光学器件，随着光学技术的发展，对透镜的要求越来越高。菲涅尔透镜作为一种体积小、重量轻、便于复制的透镜被广泛应用在各种光学设备中。

现有光学设备中的菲涅尔透镜只能起单一的聚光作用，在某些应用场景下，例如采用菲涅尔透镜实现太阳能聚光聚热时，需要对温度进行调控，如果菲涅尔透镜始终起聚光作用，则只能持续加热，很难实现温度调控，因此，现有的菲涅尔透镜的应用具有一定局限性。

技术实现要素：

为了解决现有技术菲涅尔透镜只能起单一的聚光作用，应用受限的问题，本发明实施例提供了一种菲涅尔透镜装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种菲涅尔透镜装置，所述装置包括：第一透明基板、第二透明基板、填充在所述第一透明基板和所述第二透明基板间的液晶层；所述第一透明基板为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜朝向所述液晶层的一面设有按菲涅尔波带间隔分布的凹槽；所述第二透明基板用于控制所述液晶层中液晶的状态，使射入所述液晶的偏振光经过所述液晶的折射率在所述液晶的第一折射率和所述液晶的第二折射率之间切换，所述第一折射率大于所述第二折射率，所述菲涅尔透镜的折射率等于所述液晶层中的液晶的第一折射率。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述液晶为棒状液晶，所述液晶的长轴的初始配向方向平行于所述第一透明基板，且与所述偏振光的振动方向垂直或平行；所述第二透明基板用于控制所述液晶的长轴在初始配向方向和控制方向之间变换，所述液晶的长轴的控制方向平行于所述第一透明基板，且与所述初始配向方向垂直。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括偏光片，所述偏光片设置在所述菲涅尔透镜装置的入光侧，所述偏光片的透光轴与所述液晶的长轴的初始配向方向垂直或平行。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二透明基板包括透明基板，以及依次设置在所述透明基板上的第一透明电极层、透明绝缘层和第二透明电极层。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二透明电极层包括多个平行间隔设置的条状电极，所述条状电极的长度方向与所述液晶的长轴的初始配向方向平行。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述液晶为蓝相液晶；所述第二透明基板用于控制所述蓝相液晶在球状液晶和棒状液晶之间切换，所述棒状液晶的长轴方向平行于所述第一透明基板，且与所述偏振光的振动方向垂直或平行。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括偏光片，所述偏光片设置在所述菲涅尔透镜装置的入光侧，所述偏光片的透光轴与所述棒状液晶的长轴方向垂直或平行。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二透明基板包括透明基板，以及依次设置在所述透明基板上的第一透明电极层、透明绝缘层和第二透明电极层。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二透明电极层包括多个平行间隔设置的条状电极，所述条状电极的长度方向与所述棒状液晶的长轴方向垂直。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一透明电极层为ITO薄膜层或IZO薄膜层，所述第二透明电极层为ITO薄膜层或IZO薄膜层。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述凹槽内设有台阶。

在本发明实施例的另一种实现方式中，当所述凹槽内设有至少两个台阶时，所述至少两个台阶沿凹槽至所述菲涅尔透镜中心方向逐渐升高。

在本发明实施例的另一种实现方式中，每个所述凹槽内的台阶数目为N，N＝2^m-1，m为正整数，光经过相邻台阶的相位差为2π/(N+1)。

在本发明实施例的另一种实现方式中，每个所述台阶的高度满足以下公式：

$h=\frac{\mathrm{\λ}/(N+1)}{n_1-n_2};$

h为所述台阶的高度，λ为波长，n₁为所述液晶的第一折射率，n₂为所述液晶的第二折射率。

在本发明实施例的另一种实现方式中，第j个凹槽内台阶的宽度满足以下公式：

$t_j=\frac{d_j}{(N+1)/2};$

t_j为所述第j个凹槽内台阶的宽度，j为由所述菲涅尔透镜中心向外方向的凹槽序号，d_j为所述第j个凹槽对应的菲涅尔波带的波带宽度；

所述菲涅尔透镜中第j个图形的宽度满足以下公式：

$T_j=D_j-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Σ}}\frac{d_j}{2^i};$

T_j为所述第j个图形的宽度，所述图形为两个凹槽之间的环形或者第1个凹槽和所述菲涅尔透镜中心之间的圆形，所述圆形的宽度为圆形半径，j为由所述菲涅尔透镜中心向外方向的图形序号，D_j为所述第j个图形对应的菲涅尔波带的波带宽度。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述装置包括在所述第一透明基板或者所述第二透明基板上的一个偏光片，或者所述装置包括分别设置在所述第一透明基板和所述第二透明基板上的两个偏光片。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括驱动电路，所述驱动电路与所述第一透明电极层和所述第二透明电极层电连接。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

在本发明提供的菲涅尔透镜装置中，当在第二透明基板的控制下，射入液晶的偏振光经过所述液晶的折射率为所述液晶的第二折射率时，由于偏振光通过菲涅尔透镜的折射率等于液晶的第一折射率，此时填充在菲涅尔透镜的凹槽内的液晶发挥着和空气相似的作用，不会对菲涅尔透镜的功能造成影响，菲涅尔透镜和液晶实现透镜聚光功能；当在第二透明基板的控制下，射入液晶的偏振光经过所述液晶的折射率为液晶的第一折射率时，由于偏振光通过菲涅尔透镜的折射率等于液晶的第一折射率，此时填充在菲涅尔透镜的凹槽中的液晶与菲涅尔透镜的材料折射率相同，相当于菲涅尔透镜的凹槽被填平，此时菲涅尔透镜和液晶相当于一块平板玻璃，实现平板玻璃透射功能；综上，通过第二透明基板控制液晶的状态，实现对菲涅尔透镜在聚光和透射功能之间切换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜装置的结构示意图；

图2A和图2B是本发明实施例提供的另一种菲涅尔透镜装置的结构示意图；

图3～图5是本发明实施例提供的3种不同台阶数的菲涅尔透镜的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种菲涅尔透镜装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜装置的结构示意图，参见图1，该装置包括：第一透明基板100、第二透明基板200、以及填充在第一透明基板100和第二透明基板200间的液晶层300；第一透明基板100为菲涅尔透镜100，菲涅尔透镜100朝向液晶层300的一面设有按菲涅尔波带间隔分布的凹槽101；第二透明基板200用于控制液晶层300中液晶301的状态，使射入液晶301的偏振光经过液晶301的折射率在液晶301的第一折射率和液晶301的第二折射率之间切换，第一折射率大于第二折射率，菲涅尔透镜100的折射率等于液晶层300中的液晶301的第一折射率。

其中，菲涅尔波带由中心的圆形及与该圆形同心设置的多个环形组成，圆形和每个环形均为菲涅尔波带的一个波带，菲涅尔透镜100的凹槽与菲涅尔波带的波带对应，且相邻的凹槽对应菲涅尔波带中间隔布置的波带，具体对应方式参见后文对凹槽的详细描述。

在本发明提供的菲涅尔透镜装置中，当在第二透明基板200的控制下，射入液晶301的偏振光经过液晶301的折射率为液晶301的第二折射率时，由于偏振光通过菲涅尔透镜100的折射率等于液晶301的第一折射率，且液晶301的第一折射率大于液晶301的第二折射率，填充在凹槽101内的液晶301发挥着和空气相似的作用，因此此时填充在菲涅尔透镜100的凹槽101中的液晶301不会对菲涅尔透镜100的功能造成影响，菲涅尔透镜100和液晶301实现透镜聚光功能；当在第二透明基板200的控制下，射入液晶301的偏振光经过液晶301的折射率为液晶301的第一折射率时，由于偏振光通过菲涅尔透镜100的折射率同样为液晶301的第一折射率，此时填充在菲涅尔透镜100的凹槽101中的液晶301与菲涅尔透镜100的材料折射率相同，相当于菲涅尔透镜100的凹槽101被填平，此时菲涅尔透镜100和液晶301相当于一块平板玻璃，实现平板玻璃透射功能；综上，本发明实施例通过第二透明基板200控制液晶301的状态，从而可以实现对菲涅尔透镜100在聚光和透射功能之间切换。

图2A和图2B是本发明实施例提供的另一种菲涅尔透镜装置的结构示意图，该装置中液晶301为棒状液晶，液晶301的长轴的初始配向方向平行于第一透明基板100，且与偏振光的振动方向垂直；例如图2A所示为液晶301的长轴方向为初始配向方向，偏振光的振动方向为左右方向，图2A中液晶301的长轴的初始配向方向与偏振光的振动方向垂直；第二透明基板200用于控制液晶301的长轴在初始配向方向和控制方向之间变换，液晶301的长轴的控制方向平行于第一透明基板100，且与初始配向方向垂直；例如图2B所示为液晶301的控制方向，液晶301的控制方向与初始配向方向垂直。当液晶长轴方向和偏振光的振动方向垂直时，该偏振光通过液晶的折射率为液晶的寻常光折射率n_o，菲涅尔透镜和液晶实现透镜聚光功能；当液晶长轴方向和所述偏振光的振动方向平行时，该偏振光通过液晶的折射率为液晶的非常光折射率n_e，菲涅尔透镜和液晶相当于一块平板玻璃，实现平板玻璃透射功能。在该实现方式中，液晶的第一折射率为液晶的非常光折射率n_e，液晶的第二折射率为液晶的寻常光折射率n_o。

其中，液晶的寻常光是指偏振方向垂直于液晶301长轴的偏振光，液晶的非常光是指偏振方向平行于液晶301长轴的偏振光。

再次参见图2，该装置还可以包括偏光片400，偏光片400设置在菲涅尔透镜装置的入光侧，偏光片400的透光轴与液晶301的长轴的初始配向方向垂直。自然光或人造光源发出的光经过偏光片后变为偏振光，然后入射到菲涅尔透镜和液晶中。

其中，偏光片400的透光轴是指与能够透过偏光片的偏振光振动方向平行的轴。

在另一种实现方式中，液晶301的长轴的初始配向方向还可以与偏振光的振动方向平行，此时偏光片400的透光轴与液晶301的长轴的初始配向方向平行。

在图2A(或图2B)提供的装置中，凹槽101内可以设有台阶111。台阶111的数量可以根据实际需要设置。台阶111的数量越多聚光效果越好，但制作工艺越复杂，优选的台阶数量为3、7、15个。

具体地，当凹槽101内设有至少两个台阶111时，至少两个台阶111沿凹槽101至菲涅尔透镜100中心方向逐渐升高。

在图2A(或图2B)提供的装置中，每个凹槽101内设有7个台阶。

在本发明实施例中，每个菲涅尔透镜中各个凹槽内的台阶数相同。具体地，每个凹槽101内的台阶111数目为N，N＝2^m-1，m为正整数，光经过相邻台阶111的相位差为2π/(N+1)。

图3～图5提供了3种不同台阶数的菲涅尔透镜的结构示意图，台阶数分别为1、3和7。

在本发明实施例中，每个凹槽内的所有台阶的高度均相同，且各个凹槽内的台阶高度也相同。具体地，每个台阶111的高度满足以下公式：

$h=\frac{\mathrm{\λ}/(N+1)}{n_1-n_2};$

h为每个台阶111的高度，λ为波长，n₁为液晶301的第一折射率(也即菲涅尔透镜100的折射率)，n_o为液晶301的第二折射率。

将台阶高度按此高度设置，保证凹槽填充液晶后，菲涅尔透镜仍能实现透镜效果。

在本发明实施例中，每个凹槽内的所有台阶的宽度均相同，但各个凹槽内的台阶宽度不相同，越靠近菲涅尔透镜的中心的台阶的宽度越大。具体地，第j个凹槽101内台阶111的宽度满足以下公式：

$t_j=\frac{d_j}{(N+1)/2};$

t_j为第j个凹槽101内台阶111的宽度，j为由菲涅尔透镜100中心向外方向的凹槽101序号，d_j为第j个凹槽101对应的菲涅尔波带的波带宽度；以图3为例，第1个凹槽对应菲涅尔波带的第2个波带，第2个凹槽对应菲涅尔波带的第4个波带，第3个凹槽对应菲涅尔波带的第6个波带，依次类推。

菲涅尔透镜100中第j个图形102的宽度满足以下公式：

$T_j=D_j-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Σ}}\frac{d_j}{2^i};$

T_j为第j个图形102的宽度，图形102为两个凹槽101之间的环形或者第1个凹槽101和菲涅尔透镜100中心之间的圆形，图形102的宽度为上述环形宽度或者圆形半径，j为由菲涅尔透镜100中心向外方向的图形102序号，D_j为第j个图形102对应的菲涅尔波带的波带宽度；以图3为例，第1个图形对应菲涅尔波带的第1个波带(也就是菲涅尔波带中心的圆形)，第2个图形对应菲涅尔波带的第3个波带，第3个图形对应菲涅尔波带的第5个波带，依次类推。

其中，菲涅尔波带的波带宽度d_j和D_j与菲涅耳波带中圆形的半径相关，以图3为例，第1、2、3个图形对应的菲涅尔波带的波带宽度D₁、D₂、D₃分别为r1、r3-r2、r5-r4，第1、2、3个凹槽对应的菲涅尔波带的波带宽度d₁、d₂、d₃分别为r2-r1、r4-r3、r6-r5。其中，r1-r6即为菲涅耳波带中圆形的半径。

其中，菲涅耳波带中圆形的半径满足以下公式：

$r_i=\sqrt{if\mathrm{\λ}};$

其中，r_i为菲涅耳波带中圆形的半径，i为菲涅耳波带中圆形的序号(由菲涅尔波带中心向外方向，该序号逐渐增大)，f为菲涅耳透镜的焦距，λ为波长(波长通常选择人眼较为敏感的光的波长，如440nm)。

另外，如图3所示，在N＝1时，第1、2、3个图形的宽度T₁、T₂、T₃正好依次等于r1、r3-r2、r5-r4，第1、2、3个凹槽的宽度t₁、t₂、t₃正好依次等于r2-r1、r4-r3、r6-r5。

将台阶和图形的宽度按上述宽度设置，保证光能够聚焦到菲涅尔透镜的中心。

再次参见图2A和图2B，第二透明基板200包括透明基板201，依次设置在透明基板201上的第一透明电极层202、透明绝缘层203和第二透明电极层204。通过在第一透明电极层和第二透明电极层加电，控制液晶角度偏转；基板、电极层和绝缘层均为透明设置，避免影响菲涅尔透镜光折射率。

再次参见图2A和图2B，第二透明电极层204包括多个平行间隔设置的条状电极241，条状电极241的长度方向与液晶301的长轴的初始配向方向平行。第二透明电极层由多个平行间隔设置的条状电极构成，且条状电极的长度方向与所述液晶的长轴的初始配向方向平行，可以保证在第二透明电极层和第一透明电极层通电时，产生水平电场，液晶在该电场作用下实现偏转，改变液晶的状态。

图6是本发明实施例提供的另一种菲涅尔透镜装置的结构示意图，参见图6，该装置中液晶301为蓝相液晶；第二透明基板200用于控制蓝相液晶在球状液晶(如图6所示)和棒状液晶(与图2A或图2B结构相同)之间切换，棒状液晶的长轴方向平行于第一透明基板100，且与偏振光的振动方向垂直或平行。蓝相液晶为球状液晶时，具有各向同性，球状液晶的各个方向上折射率相同，偏振光通过球状液晶的折射率为n；蓝相液晶为棒状液晶时，棒状液晶的寻常光折射率为n_o，棒状液晶的非常光折射率为n_e，n_o<n<n_e。

在一种实现方式中，蓝相液晶的第一折射率为n，第二折射率为n_o，棒状液晶的长轴方向与偏振光的振动方向垂直。即当蓝相液晶为球状液晶时，偏振光通过球状液晶的折射率等于菲涅尔透镜的折射率，此时菲涅尔透镜和液晶实现平板玻璃透射功能；当蓝相液晶为棒状液晶时，偏振光的振动方向垂直于棒状液晶的长轴方向，偏振光通过棒状液晶的折射率小于菲涅尔透镜的折射率，菲涅尔透镜和液晶实现透镜聚光功能。

在另一种实现方式中，蓝相液晶的第一折射率为n_e，第二折射率为n，棒状液晶的长轴方向与偏振光的振动方向平行。即当蓝相液晶为球状液晶时，偏振光通过球状液晶的折射率小于菲涅尔透镜的折射率，此时菲涅尔透镜和液晶实现透镜聚光功能；当蓝相液晶为棒状液晶时，偏振光的振动方向平行于棒状液晶的长轴方向，偏振光通过棒状液晶的折射率等于菲涅尔透镜的折射率，菲涅尔透镜和液晶实现平板玻璃透射功能。

再次参见图6，该装置还可以包括偏光片400，偏光片400设置在菲涅尔透镜装置的入光侧，偏光片400的透光轴与棒状液晶的长轴方向垂直或平行。光经过偏光片后变为偏振光入射到菲涅尔透镜和液晶中。

再次参见图6，第二透明基板200包括透明基板201，依次设置在透明基板201上的第一透明电极层202、透明绝缘层203和第二透明电极层204。通过在第一透明电极层和第二透明电极层加电，控制液晶角度偏转；基板、电极层和绝缘层均为透明设置，避免影响菲涅尔透镜光折射率。

再次参见图6，第二透明电极层204包括多个平行间隔设置的条状电极241，条状电极241的长度方向与棒状液晶的长轴方向垂直(蓝相液晶为棒状液晶时结构与图2B相同)。第二透明电极层由多个平行间隔设置的条状电极构成，且条状电极的长度方向与棒状液晶的长轴方向垂直，保证在第二透明电极层和第一透明电极层的电场作用下实现球状液晶盒棒状液晶的转换，且棒状液晶的长轴方向与偏振光的振动方向垂直。

在图2A(或图2B)和图6提供的装置中，第一透明电极层202包括但不限于是氧化铟锡ITO薄膜层或氧化铟锌IZO薄膜层，第二透明电极层204为ITO薄膜层或IZO薄膜层。保证电极层的透明度。

在图2A(或图2B)和图6提供的装置中，偏光片400均设置在第一透明基板100一侧。在其他实施例中，偏光片400可以设置在第二透明基板200上，或者在第一透明基板100和第二透明基板200上同时分别设置一个偏光片400。上述方式均可以实现菲涅尔透镜，设置一个偏光片可以限定入射光只从装置的一侧射入，设置两个偏光片时入射光可以从两个方向射入。

在本发明实施例中，该装置还包括驱动电路，驱动电路与第一透明电极层202和第二透明电极层204电连接。通过驱动电路为第一透明电极层和第二透明电极层加电，从而可以实现对菲涅尔透镜100在聚光和透射功能之间切换。其中，驱动电路可以采用集成电路实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。